復(fù)合材料對電動汽車振動噪聲的優(yōu)化研究

摘" 要：為優(yōu)化某電動汽車的振動噪聲性能，該文著重分析用阻尼復(fù)合材料代替電驅(qū)總成原有的ADC12材料控制器蓋板的可行性和有效性。試驗(yàn)研究表明，更換阻尼復(fù)合材料蓋板后，該電動汽車車內(nèi)22階噪聲在部分頻率段降低3 dB（A）左右，48階噪聲在部分頻率段降低10 dB（A）左右。因此，選用新型復(fù)合材料來降低新能源汽車的振動噪聲是一種有效措施。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；電動汽車；振動噪聲；優(yōu)化；控制器蓋板

中圖分類號：U469.72" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00７１-0４

Abstract： In order to optimize the vibration and noise performance of an electric vehicle， this paper focuses on the feasibility and effectiveness of replacing the original ADC12 material controller cover plate of the electric drive assembly. The experimental study shows that after the replacement of the damping composite cover plate， the noise of order 22 is reduced by about 3 dB（A） in the partial frequency segment， and the noise of order 48 decreases by about 10 dB（A） in the partial frequency segments.Therefore， it is an effective measure to choose new composite materials to reduce the vibration and noise of new energy vehicles.

Keywords： composite materials; electric vehicle; vibration and noise; optimization; controller cover plate

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車的要求早已不僅僅是實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)輸功能，而越來越追求更舒適的駕乘體驗(yàn)[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)更好的駕乘體驗(yàn)，汽車振動噪聲的控制就顯得尤為重要[4-5]。新能源汽車以電驅(qū)動系統(tǒng)取代了內(nèi)燃機(jī)汽車的變速箱與發(fā)動機(jī)，兩者有著完全不同的振動噪聲特性[6-8]。近年來，針對新能源汽車的振動噪聲問題，海內(nèi)外學(xué)者做了很多研究。馬敬等[9]對某純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)24階振動噪聲進(jìn)行了分析與優(yōu)化，提出了扭矩優(yōu)化的詳細(xì)方案，有效地降低了低速工況下電機(jī)系統(tǒng)的24階振動噪聲。趙敏等[10]對某新能源汽車電驅(qū)總成噪聲進(jìn)行優(yōu)化，采用基于試驗(yàn)與CAE分析相結(jié)合的方法，通過采用對激勵源優(yōu)化、控制策略調(diào)試、傳遞路徑優(yōu)化和加聲學(xué)包隔阻等措施，顯著地降低了電驅(qū)總成在各工況的噪聲。然而，目前大多數(shù)研究人員將重心放在了新能源汽車振動噪聲問題的原因和產(chǎn)生機(jī)制等方面[11]。在研究振動噪聲問題時很少考慮傳遞路徑，這是一個存在的問題，應(yīng)該引起研究者們的關(guān)注和重視。

目前研究者的一些研究成果表明，復(fù)合材料在抑制振動噪聲等方面具有比較出色的性能。在軍工、家居等行業(yè)目前已經(jīng)有應(yīng)用與研究。高龍等[12]對阻尼復(fù)合材料板的減振降噪機(jī)理做了系統(tǒng)闡述，并將其應(yīng)用于電機(jī)總成的減振降噪，臺架測試數(shù)據(jù)表明使用阻尼復(fù)合材料具有不錯的減振降噪效果。李濤等[13]從減振降噪機(jī)理的角度對減振板材做了深入分析，并將其應(yīng)用于大型船舶的噪聲控制，取得了十分顯著的降噪效果。目前，對于電動汽車電驅(qū)總成的減振降噪研究在工程上還很少見復(fù)合材料的批量應(yīng)用案例。本文首先對電動汽車振動噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及傳遞路徑進(jìn)行分析，然后對某復(fù)合材料的減振降噪機(jī)理進(jìn)行深入研究，并將其應(yīng)用于電驅(qū)總成控制器上蓋板。

1" 振動噪聲產(chǎn)生機(jī)理

電動汽車電驅(qū)總成是車內(nèi)振動噪聲的主要來源，其主要由減速器、電機(jī)控制器、電機(jī)等組成。電驅(qū)總成的振動噪聲主要由3部分組成，由電機(jī)控制器開關(guān)器件非線性特性導(dǎo)致的電磁開關(guān)噪聲，減速器齒輪嚙合產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，電機(jī)電磁激勵導(dǎo)致的電磁振動噪聲。電驅(qū)總成振動噪聲主要有2條傳遞路徑，一是通過電驅(qū)系統(tǒng)金屬外殼向外輻射振動能量，最終聲音經(jīng)空氣傳遞給車內(nèi)乘員；另一條是經(jīng)與電驅(qū)系統(tǒng)連接的金屬支架，再通過整車懸置及車身附件傳遞到車內(nèi)。對于電機(jī)控制器而言，其用金屬制造的上蓋板與整個電驅(qū)系統(tǒng)的部件相比是最為薄弱的位置，因此其固有模態(tài)頻率較低，是電驅(qū)系統(tǒng)主要向外面輻射振動能量的部件。行業(yè)內(nèi)常采用價格低廉的ADC12材料來鑄造電機(jī)控制器上蓋板。但是ADC12材料對振動能量的傳遞衰減較小，減振降噪效果并不理想。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)和行業(yè)對電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)振動噪聲和功率密度等指標(biāo)的不斷提高，現(xiàn)在使用的ADC12鋁合金材料已經(jīng)不能夠滿足新能源汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)減振降噪新要求。

2" 復(fù)合材料電驅(qū)總成

應(yīng)用約束阻尼復(fù)合材料控制器上蓋板的電驅(qū)總成如圖1所示。新蓋板與原ADC12材料蓋板厚度都為3 mm。

阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)板材通常分為約束性阻尼結(jié)構(gòu)和自由阻尼結(jié)構(gòu)，其通過金屬材料與阻尼材料組合形成新的復(fù)合結(jié)構(gòu)在一定程度上來提高最終材料的整體阻尼效果。自由阻尼結(jié)構(gòu)是指直接在振動結(jié)構(gòu)材料上涂覆一層具有較大損耗模量的阻尼材料，以實(shí)現(xiàn)降低振動噪聲的目的。在自由阻尼結(jié)構(gòu)材料表面加上一層具有較高模量的金屬板材，就形成了約束阻尼結(jié)構(gòu)。圖2為阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)板材示意圖。

當(dāng)用阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)材料制造的電驅(qū)動系統(tǒng)的上蓋板產(chǎn)生彎曲振動時，所產(chǎn)生的振動能量可以迅速傳遞到牢固地涂覆在板上表面的阻尼材料上，從而造成阻尼材料與基體材料兩者之間的相互摩擦和錯動，因此就會不斷地拉伸和壓縮填充在其之間的阻尼材料。振動時阻尼材料會產(chǎn)生比較大的內(nèi)部損耗，基體板材在振動過程中產(chǎn)生的能量基本上就轉(zhuǎn)化為熱能釋放在空氣中，這樣有效降低了基體板材的振動。另外，當(dāng)約束阻尼結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生振動時，阻尼層和約束層都會被拉伸，使其變得更長。但是約束層被拉伸的長度與阻尼層相比較要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長度。因此約束層可以限制阻尼層的伸長量。當(dāng)阻尼層被壓縮時，約束層會抑制阻尼層的變形壓縮，從而就會形成一種除壓縮拉伸變形以外的剪切變形。這種變形能夠大大增加振動能量的消耗，從而使得減振效果得到顯著提升。因此，從理論上來說，約束阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)板材相比于一般的金屬材料，在減緩振動方面具有更好的效果[12]。

3" 整車測試研究

本文選取一款新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)作為研究對象，該電驅(qū)動系統(tǒng)峰值功率為150 kW，采用8極48槽的永磁同步電機(jī)，搭載輸入軸22齒，總速比為10.89的單擋二級減速器。把該電驅(qū)總成裝車測試，在車內(nèi)駕駛員右耳位置安裝麥克風(fēng)采集車內(nèi)聲音信號。駕駛員右耳麥克風(fēng)安裝位置如圖3所示。

為了更直觀地評價電驅(qū)總成的振動噪聲水平，選擇在整車上測試全電門加速工況車內(nèi)噪聲。分別測試ADC12材料上蓋板和復(fù)合材料上蓋板2種狀態(tài)的電驅(qū)動系統(tǒng)車內(nèi)各3組噪聲數(shù)據(jù)，選取干擾較小的各一組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

ADC12材料上蓋板電驅(qū)總成車內(nèi)噪聲頻譜如圖4所示。

從圖4可以看出，在1 200 Hz頻率以內(nèi)存在明顯的共振帶。減速器22階噪聲在轉(zhuǎn)速1 000～10 000 r/min能量較大，對應(yīng)頻率區(qū)間在350～3 600 Hz左右。電機(jī)48階噪聲在低速段800～3 000 r/min能量較大，對應(yīng)頻率范圍在640～2 400 Hz左右。

復(fù)合材料上蓋板車內(nèi)噪聲頻譜如圖5所示。

從圖5可以看出，換復(fù)合材料蓋板后原1 200 Hz以內(nèi)的共振帶消失。減速器22階噪聲能量在轉(zhuǎn)速1 000～6 000 r/min較ADC12材料蓋板有所改善；電機(jī)48階噪聲在低速段800～3 000 r/min較ADC12材料蓋板明顯改善。

為了更清晰地對比2種材料蓋板電驅(qū)總成的振動噪聲水平，把2種材料蓋板測試的車內(nèi)噪聲頻譜圖的減速器22階和電機(jī)48階做階次切片分析比較，減速器22階階次線對比如圖6和表1所示，電機(jī)48階階次線對比如圖7和表2所示。

從圖6和表1可以看出，ADC12材料蓋板狀態(tài)電驅(qū)總成車內(nèi)駕駛員右耳22階噪聲在1 200～6 000 r/min的RMS（噪聲均方根值）值達(dá)到42.44 dB（A），復(fù)合材料蓋板電驅(qū)總成車內(nèi)駕駛員右耳22階噪聲在1 200～6 000 r/min的RMS值為39.8 dB（A）。復(fù)合材料蓋板較ADC12材料蓋板22階車內(nèi)噪聲在該轉(zhuǎn)速段減少了3 dB（A）左右。不過，復(fù)合材料蓋板較ADC12材料蓋板22階車內(nèi)噪聲在6 000 r/min以上轉(zhuǎn)速段無明顯改善。換上復(fù)合材料蓋板后，車內(nèi)22階噪聲在6 000 r/min以內(nèi)多個能量峰值點(diǎn)消失，這是因?yàn)閾Q上復(fù)合材料蓋板后，多個模態(tài)共振點(diǎn)消失，從而減弱了振動能量，進(jìn)而減小了經(jīng)蓋板輻射的噪聲能量。

從圖7和表2可以看出，ADC12材料蓋板狀態(tài)電驅(qū)總成車內(nèi)駕駛員右耳48階噪聲能量在800～2 900 r/min的RMS值達(dá)到33.21 dB（A），復(fù)合材料蓋板狀態(tài)電驅(qū)總成車內(nèi)駕駛員右耳48階噪聲能量在800～2 900" r/min的RMS值僅為23.56 dB（A）。復(fù)合材料蓋板較ADC12材料蓋板48階噪聲能量在該轉(zhuǎn)速段減少了10 dB（A）左右，降噪效果明顯。但復(fù)合材料蓋板較ADC12材料蓋板48階噪聲能量在2 900 r/min以上轉(zhuǎn)速段無明顯改善，且整體能量略有增大。換上復(fù)合材料蓋板后，48階噪聲能量在2 900 r/min以內(nèi)多個峰值點(diǎn)能量下降，這主要是因?yàn)閾Q上復(fù)合材料蓋后，2 000 Hz頻率以內(nèi)多個共振點(diǎn)消失，蓋板振動減弱，從而通過蓋板對外輻射的噪聲能量減小。

通過以上測試數(shù)據(jù)分析可知，復(fù)合材料上蓋板較ADC12材料上蓋板有較好的減振降噪效果，其減振降噪頻率范圍主要為中低頻段600～2 500 Hz左右。

4" 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了電動汽車的振動噪聲能量傳遞路徑，并針對一款在研電動汽車的振動噪聲問題，從噪聲傳遞路徑方向，選用一種阻尼復(fù)合材料蓋板代替原ADC12材料蓋板。車內(nèi)噪聲測試結(jié)果顯示，復(fù)合材料上蓋板對降低車內(nèi)中低頻率段噪聲有較好的效果，車內(nèi)22階噪聲在該頻率段降低了3 dB（A）左右，車內(nèi)48階噪聲在這個頻率段降低了10 dB（A）左右。而且因?yàn)閺?fù)合材料上蓋板改變了原來的模態(tài)頻率，與ADC12材料蓋板相比較，使用復(fù)合材料的蓋板使在2 000 Hz頻率以內(nèi)多個共振點(diǎn)消失，進(jìn)而使車內(nèi)該頻率段對應(yīng)的噪聲能量也明顯減弱。因此，選用新型復(fù)合材料來降低新能源汽車的振動噪聲是一種有效的措施。

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